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第三节直流伺服驱动控制

直流伺服电动机是用直流电信号控制的执行元件，它的功能是将输入的电压

控制信号，快速转换为轴上的角位移或角速度输出。直流伺服电动机具有线性调

速范围宽、信号响应迅速、无控制电压立即停转、堵转转矩大等特点，作为驱动

元件被广泛应用于数控闭环(或半闭环)进给系统中。以直流伺服电机作为驱动元

件的伺服系统称为直流伺服系统。

一、直流伺服电动机的工作原理及类型

1．工作原理

直流电机的工作原理是建立在电磁力定律基础上的，电磁力的大小与电机中

的气隙磁场成正比。直流电机的工作原理如图3–12所示，位于磁场中的线圈abcd

的a端和d端分别连接于各自的换向片上，换向片又分别通过静止的电刷A和B

与直流电源的两极相连。当电流通过线圈时，产生电磁力和电磁转矩，使线圈旋

转，线圈转动的同时，abcd的两个相连的换向片的位置产生变化，从而改变了

所接触的电源极性，维持线圈沿固定方向连续旋转。

图3–12直流电机的工作原理图

就原理而言，一台普通的直流电机也可认为就是一台直流伺服电机，因为当

一台直流电机加以恒定励磁，若电枢(多相线圈)不加电压，电机不会旋转；当外

加某一电枢电压时，电机将以某—转速旋转，改变电枢两端的电压，即可改变电

机转速，这种控制叫电枢控制。当电枢加以恒定电流，改变励磁电压时，同样可

达到上述控制目的，这种方法叫磁场控制。直流伺服电机一般都采用电枢控制。

直流电机的种类很多，但它们的工作原理都是一样的，但是由于功用不同，

在结构和工作性能上也有所区别。

2．直流伺服电机的分类

直流电机按其励磁方式分为永磁式、励磁式(他励、并励、串励、复励)、混

合式(励磁和永磁合成)三种；按电枢结构分为有槽、无槽、印刷绕组、空心杯形

等；按输出量分为位置、速度、转矩(或力)三种控制系统；按运动模式分为增量

式和连续式；按性能特点及用途不同又有不同品种。

二、常用直流伺服电动及特点

永磁电机和他励电机适合于数控机床，而这类电机在实际应用中，习惯上按

其性能特点又有小惯量直流伺服电机和宽调速直流伺服电机之分。

1．小惯量直流伺服电机

顾名思义，小惯量直流伺服电机以电枢惯量小而得名，这类电机一般为永磁

式，它的电枢结构多为无槽、印刷绕组或空心杯形三种。

无槽电枢的电枢铁心上没有槽，为一光滑的由硅钢片叠成的圆柱体，电枢绕

组为成型的线圈元件组成，用环氧树脂和玻璃布带直接固定在铁心表面上。

印刷绕组电枢为多层薄片圆盘，以环氧树脂布胶板为基板，两侧胶合铜箔，

用印刷电路法制成双面电枢绕组，电刷直接作用在印刷绕组上。

空心杯形电枢是用漆包线编制成杯形，用环氧树脂将其固化成一整体，且无

铁心以减小电枢直径，并增强其刚性。

小惯量电机最大限度地减少了电枢的转动惯量，所以能获得最好的快速性，

它的主要特点有：

(1)转动惯量小，约为普通直流电机的1/10左右；

(2)有良好的换向性能，电机时间常数小，只有几个毫秒；

(3)电气机械均衡性好，在低速时运转稳定而均匀，如转速低达10r/min仍无

爬行现象；

(4)过载能力强，最大扭矩可达额定值的10倍（1秒以内）。

2．宽调速直流伺服电机

小惯量电机是以减小电机电枢转动惯量来改善其工作特性，但由于电机的转

动惯量小，机床惯量大，须经过齿轮传动，而且电刷易磨损，使用效果并不十分

理想。而宽调速电机则是通过提高转矩来改善其性能，且具有过载能力强、调速

范围宽、可与机床进给丝杠直接连接等优点，故在闭环伺服系统中得到较为广泛

的应用。

宽调速电机按励磁方法不同可分为励磁式和永磁式两种。励磁式的特点是励

磁大小易于调整，便于设置补偿绕组和换向器，所以电机换向性能好，成本低，

能在较宽的速度范围内得到恒转矩特性，但温升高。永磁式一般无换向极和补偿

绕组，换向性能受到一定限制，但因不需要励磁功率，因而效率高且低速时输出

转矩大，温升低，尺寸小。两者相比，后者在数控机床中的应用较多，所以一般

讲永磁直流伺服电机亦指永磁式宽调速直流伺服电机。宽调速直流伺服电机主要

特点如下：

(1)转矩大，低速性能好，转动惯量也大。可以和机床进给丝杠直接连接，

省去了齿轮传动机构，从而避免了由于齿轮间隙所产生的噪声、振动及齿隙误差，

提高工作精度。

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